基于mems超声波换能器芯片的超声波流量计
技术领域
本发明涉及超声波流量计领域，尤其是一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计。
背景技术
当前的超声波流量计大都是基于TOF(time-of-flight)算法来对流过的流体进行测量的，这种算法通过计量流体中方向相反但传输距离相同的两个超声信号的传输时差来计算流体流速以及流量，传统的基于TOF算法的超声波流量计采用陶瓷超声波换能器来发射和接收超声信号，陶瓷超声波换能器的尺寸较大(接收信号的陶瓷膜直径通常为厘米级的)，因此整个超声波流量计的尺寸较大，集成度不高。
随着技术的发展，目前尺寸微小的MEMS超声波换能器芯片(百微米级)已经逐渐普及，但是若将MEMS超声波换能器芯片直接替代陶瓷超声波换能器应用在超声波流量计中则会存在如下问题：实际应用时，超声波流量计需要能够实现对一定流速范围内的流体的计量，比如根据刚刚出版的GB/T 39841-2021标准，常见的家用或商用燃气表用超声波流量计的量程跨度从1.6m3/h到10m3/h，分辨率最小需要达到0.01m3/h，由于陶瓷超声波换能器尺寸较大，因此相同管道截面积内流量变化导致的流速变化对于信号能否接收到影响不大，但对于尺寸微小的MEMS超声波换能器芯片，流速的过大变化范围会导致固定距离的超声波换能器无法接收到超声信号，因此直接将MEMS超声波换能器芯片应用在现有的超声波流量计时会出现测量精度不高甚至无法测量的问题。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，本发明的技术方案如下：
一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，该超声波流量计包括主管道、支流管道、两个MEMS超声波组件以及信号处理板，支流管道的进口端和出口端沿着主管道内部的流体流动方向分别连通至主管道的内腔；主管道内在支流管道的进口端和出口端之间形成有与进口端和出口端的截面积匹配的阻流结构；两个MEMS超声波组件安装在支流管道内，每个MEMS超声波组件基于MEMS超声波换能器芯片实现，两个MEMS超声波组件的传播路径呈预定测量角度，两个MEMS超声波换能器芯片连接信号处理板。
其进一步的技术方案为，每个MEMS超声波组件包括MEMS超声波换能器芯片、芯片基座以及透声保护罩，MEMS超声波换能器芯片固定在芯片基座上，透声保护罩固定在芯片基座上且与MEMS超声波换能器芯片间隔预定距离。
其进一步的技术方案为，透声保护罩由防水透声层和金属编织层组成。
其进一步的技术方案为，支流管道内开设有两个组件安装口，两个MEMS超声波组件分别可拆卸的设置在两个组件安装口内。
其进一步的技术方案为，支流管道安装在主管道的壳体外表面的上方，信号处理板安装在支流管道和主管道的壳体之间的空隙中。
其进一步的技术方案为，支流管道和主管道的壳体之间的空隙中设置有电路板保护盒，电路板保护盒内部设置有压扣，信号处理板设置在电路板保护盒内的盒底与压扣之间的插槽内，盒底与压扣紧固信号处理板，MEMS超声波组件与信号处理板之间通过电路板保护盒上的电气连接器相连。
其进一步的技术方案为，主管道的内壁在支流管道的进口端和出口端之间向内凸起形成文丘里管式的阻流结构。
其进一步的技术方案为，支流管道内还设置有支流管道整流隔板，支流管道整流隔板的板面平行于流体流动方向。
其进一步的技术方案为，支流管道的内腔垂直于流体方向的截面呈矩形。
其进一步的技术方案为，在支流管道的进口端处，支流管道与主管道中的流体流动方向呈45～90度。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，该超声波流量计基于MEMS超声波换能器芯片设计，将MEMS超声波组件设置在连通主管道的支流管道内，通过主管道内部的阻流结构的作用将支流管道内的流体流速调整降低至MEMS超声波换能器芯片的可应用范围内，使得可利用MEMS超声波换能器芯片实现预定流速范围和精度需求的流量计量要求，同时得益于MEMS芯片的小尺寸，整个超声波流量计的结构紧凑小巧。
附图说明
图1是本申请的超声波流量计的立体结构示意图。
图2是图1所示的结构平行于流体流动方向的剖面图。
图3是图1所示的结构垂直于流体流动方向的剖面图。
图4是图2中部分结构的放大示意图。
图5是图1所示的结构垂直于流体流动方向的立体剖面示意图。
图6是本申请的超声波流量计的一种应用场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于MEMS超声波换能器芯片的超声波流量计，如图1-5所示，该超声波流量计包括主管道1、支流管道2、两个MEMS超声波组件3以及信号处理板4。主管道1的两端开口且内部贯通供流体流过，流体可以是气体和液体等，流体在主管道1内的流动方向从一端指向另一端，主管道1垂直于流体流动方向v的截面形状不限，图示以矩形为例。
支流管道2的进口端21和出口端22沿着主管道1内部的流体流动方向v分别连通至主管道的内腔，支流管道2的进口端21位于流体流动方向的上游处、出口端22位于下游处。
两个MEMS超声波组件3安装在支流管道2内，每个MEMS超声波组件3基于MEMS超声波换能器芯片实现，两个MEMS超声波组件3的传播路径呈预定测量角度，从而使得一个MEMS超声波组件3发射的超声波信号可经过支流管道壁面的反射被另一个MEMS超声波组件3接收，从而实现TOF算法的测量架构，该预定测量角度根据TOF算法的测量规范固定，比如，如图2所示，两个MEMS超声波组件3的传播路径呈预定夹角的V形结构，还有一些常规应用会设置在对射式结构等等，本申请都不做限定。两个MEMS超声波换能器芯片通过阻容电线连接信号处理板4。
可选的，在支流管道2的进口端处，支流管道2与主管道1中的流体流动方向θ呈45～90度，以便MEMS超声波换能器芯片指向角参数设计不同时进行选择，图2以θ＝45°为例，不同角度的θ可以适应不同性能的MEMS超声波换能器芯片，使两个MEMS超声波组件3发射的超声波信号可经过1次～2次在支流管道壁面的反射被对向的另一个超声波换能器组件接收。
较优的，支流管道2的内腔垂直于流体方向的截面呈矩形，比如长方形或正方形，因为矩形结构的反射方向一致性较高，若采用圆形管道则容易出现散射的现象。可选的，支流管道2内开设有两个组件安装口，两个MEMS超声波组件3分别可拆卸的设置在两个组件安装口内，便于安装和更换，当两个MEMS超声波组件3插接于组件安装口内时即可以满足传播路径呈预定测量角度的测量要求，便于调试。可以通过拔插式或者螺纹螺母式进行可拆卸安装。
可选的，每个MEMS超声波组件3包括MEMS超声波换能器芯片31、芯片基座32以及透声保护罩33，MEMS超声波换能器芯片31固定在芯片基座32上，透声保护罩33固定在芯片基座32上且与MEMS超声波换能器芯片31间隔预定距离。进一步的，透声保护罩33由防水透声层和金属编织层组成，则透声保护罩33除了透声之外，还有防水的功能以便应用于液体测量场景中，金属编织层可以有效防尘，减少流体对MEMS超声波换能器芯片31的腐蚀。
主管道1内在支流管道2的进口端21和出口端22之间形成有与进口端21和出口端22的截面积匹配的阻流结构，阻流结构将一部分流体挤压至连接在主管道1上的支流管道2内，由于阻流结构阻隔流体的面积小使得支流管道2地进口端21和出口端22的压力差较小，因此流入支流管道2内的流体速度也较小，通过调整阻流结构与进口端21和出口端22的截面积的尺寸实现匹配，可以将流入支流管道2内的流体速度范围降低至适合支流管道2内的MEMS超声波换能器芯片，从而满足MEMS超声波换能器芯片的测量范围。在一个实施例中，如图2和3所示，主管道1的内壁在支流管道2的进口端21和出口端22之间向内凸起形成文丘里管式的阻流结构，各壁面向内凸起结构如图2和图3中的1a所示，比较典型的做法是，主管道1内壁在进口端21和出口端22中心位置凸起至最高，最高凸起至主管道1的开口形成斜坡，由此主管道1内壁向管道壁面法线方向缓慢凸起形成类似文丘里结构的阻流结构。
可选的，为了在不影响测试的前提下实现支流管道2内更为稳定的流动状态以便提高测试精度，支流管道2内还设置有支流管道整流隔板2a，支流管道整流隔板2a的板面平行于流体流动方向，实际根据需要可以设置多个平行间隔的支流管道整流隔板2a。
可选的，支流管道2安装在主管道1的壳体外表面的上方，以避免主管道1的流体进口吹入的灰尘、铁锈等固体颗粒对流量测量的干扰。
在一个实施例中，支流管道2与主管道1的壳体之间形成空隙，信号处理板4安装在支流管道和主管道的壳体之间的空隙中。进一步的，信号处理板4并不直接插接于两个壳体的空隙中，支流管道2和主管道1的壳体之间的空隙中设置有电路板保护盒5，电路板保护盒5内部设置有压扣5a，信号处理板4设置在电路板保护盒内的盒底与压扣5a之间的插槽内，盒底与压扣5a紧固信号处理板4，防止信号处理板4在运输搬动过程中振动损坏导致失效。进一步可选的，还可在电路板保护盒5内填充灌封胶水对信号处理板4进行保护。MEMS超声波组件3与信号处理板5之间通过电路板保护盒5上的电气连接器相连，同时电路板保护盒5上的电气连接器还支持两个MEMS超声波组件3的供电。实际应用时，也可以将信号处理板4和电路板保护盒5固定在主管道1的其他侧壁处或者流量表表壳外部与外部供电等电路集成进行感知信号的处理，或者其他位置，都不影响上述结构的实现。
本申请的超声波流量计的一种应用示意图如图6所示，整个超声波流量计A可以放置于燃气表箱内进行组装，将超声波流量计的主管道1的流体出口连接一个方转圆的转换头连接至出口管路6上，入口管路7直接流入至燃气表箱体8内，燃气表箱体8仅作为燃气流场的缓冲空间，其外观性状对测量精度无影响，内部为流量传感器留足安装空间即可，随着燃气流入，多余的气体从超声波流量计A这一唯一出口流出并进行气体流量的测量。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
